【干货】消除黑硅太阳能电池表面缺陷的研究

来源:摩尔光伏发布时间:2016-04-26 14:39:11

为了增加太阳能电池对入射光的吸收,采用等离子体浸没离子注入的方法使用SF6和O2已经成功生产出多晶黑硅。本实验研究对比了几个不同条件下消除黑硅缺陷的差异。消除黑硅表面缺陷可以减少表面积和刻蚀损伤降低表面复合。利用场发射扫描电子显微镜、分光光度计和量子效应测试仪分别对黑硅的表面结构、反射率和内量子效率进行了研究。研究结果表明,黑硅表面小山峰的数量和高度随着刻蚀时间的增加而降低;黑硅表面反射率随着小山峰的数量和高度的增加而降低。消除缺陷后的电池内量子效率(IQE)和电性能比未消除缺陷的电池有很大提升。效率最高的黑硅电池效率、开路电压、短路电流密度分别是17.46%、623mV、35.99mA/cm2,比传统的酸制绒多晶硅太阳能电池的效率高0.72%。

引言

降低硅片表面反射率增加光吸收是多晶硅太阳能电池提高转化效率的一个重要方向。沉积减反射层(如SiNx[1])是一种可以有效减反射的方法,但表面制绒是一种更稳定和有效的减反射方法。在工业生产和实验研究中,单晶硅利用各向异性腐蚀在碱液中制绒,硅片表面形成金字塔状结构[2]可以有效地降低硅片表面的光反射率。但是多晶硅晶向不规则,各向同性,不能在碱液中制绒,而是在酸溶液中制绒[3]。制绒后的单晶硅反射率在11%左右,但多晶硅酸制绒后反射率在25%左右,反射光损失仍然很大。

为了进一步降低硅片表面的反射率尤其是多晶硅片,人们尝试了很多种制绒方法,在硅片表面制备纳米结构,硅片看上去是黑色的,这就是黑硅[4]。Kontermann等人使用飞秒激光脉冲工艺制备出单晶黑硅太阳能电池[5]。Dimitrov和Du采用化学方法在酸性Na2S2O8和AgNO3混合溶液中制作出随机的纳米级金字塔,转化效率高达17.5%[6]。采用反应离子刻蚀和等离子体浸没离子注入方法[7]也可以制作黑硅。Kumaravelu等人发现离子刻蚀会在纳米结构上产生缺陷且纳米结构会增加硅片的表面积,这些都会降低硅片表面少子寿命[8]。所以需要消除黑硅表面的缺陷来优化电池的电性能。Lee等人采用反应离子刻蚀的方法制作出的黑硅太阳能电池,消除缺陷后电池效率高达16.32%,比传统酸制绒电池[9]效率高0.7%。可见缺陷消除工艺可以大幅度提升黑硅太阳能电池的电性能[10]。

本文中,为了研究缺陷消除工艺对黑硅太阳能电池电性能的影响,我们采用等离子体浸没离子注入方法制作了黑硅太阳能电池并做了几个不同缺陷消除工艺条件的实验对比。

2实验设计

本次试验使用的多晶硅片是156mm*156mm,P型掺杂,厚度为200±20μm。图1为多晶黑硅太阳能电池的生产流程。首先在80℃浓度10%的NaOH溶液中去除硅片表面机械损伤。随后采用等离子浸没离子注入的方法制绒。制绒时通入真空反应仓内的SF6/O2的流量比为3:1,使用的射频频率和功率分别是13.56MHz和900W,无直流偏压,刻蚀时间为4分钟。然后在23℃条件下使用不同的工艺条件(如表1)消除黑硅缺陷。所有的太阳能电池在825℃条件下,使用POCl3扩散。然后利用CF4和O2等离子体刻蚀硅片边缘40分钟。在体积分数10%的HF溶液中去除磷硅玻璃。采用等离子体增强化学气相沉积法(PECVD)沉积厚度为80nm的SiNx。最后丝网印刷、烧结制作成电池。

采用扫描电镜(SEM)研究黑硅的微观形貌,采用带有积分球探测器的紫外可见近红外(UV-VIS-NIR)分光光度计测试黑硅表面的反射率,采用SolarCellScan100量子效应测试系统测试太阳能电池的IQE。

图1.多晶黑硅太阳能电池的生产流程

3实验结果和讨论

图2是六个不同条件的黑硅表面形貌。C2到C6硅片表面纳米小山峰的密度和高度都不一样。C1是酸制绒硅,表面没有纳米级结构。C6是原始的黑硅,没有做缺陷消除处理,表面小山峰的密度和高度都比较大。纳米结构是刻蚀离子、掩膜相互竞争形成的[11]。可以发现C5到C2小山峰的密度和高度不断降低。消除缺陷的化学反应分两步完成。首先,硅片表面被HNO3或者NaNO2氧化,在硅片表面产生氧化层。然后氧化层被HF刻蚀掉,导致小山峰的密度和高度都降低。C2、C3条件黑硅表面的小山峰浓度和高度比C4、C5低。这是因为HNO3比NaNO2的氧化能力强。不管是那种刻蚀溶液,反应时间越长,小山峰的密度和高度越低。

利用带有积分球探测器的紫外可见近红外(UV-VIS-NIR)分光光度计测试黑硅表面在300-1100nm波长范围内的反射率,如图3。平均反射率通过以下公式计算[12]

R(λ)为总反射率,N(λ)为AM1.5标准条件下太阳光通量。可以发现未做缺陷消除工艺的黑硅反射率最低,平均反射率为3.99%。C2到C5反射率依次升高,但均比反射率25.31%的酸制绒硅反射率低。无论是那种刻蚀溶液,随着化学反应时间的延长,小山峰的密度和高度会逐渐降低。C2的平均反射率为20.99%,C3为22.07%,C3的反射率比C2高;C4的反射率为13.39%,C5为15.62%,C5比C4高。这种现象可以归因于以下两方面:首先,黑硅表面的小山峰可以增加光反射时间,硅片吸收光的机会更大;其次,由于小山峰的直径和可见光的波长接近[13],零阶衍射条纹非常弱。可以发现条件C6到C1反射率逐渐升高,这种现象可以归因于:随着小山峰的密度和高度降低,入射光的反射时间会缩短、干涉效应会减弱。

 


 

图2.通过扫描电镜扫描的酸制绒硅和不同缺陷消除条件的黑硅微观结构

 

图3.沉积SiNx前,各个条件硅片的反射率

 

图4.各个条件电池的内量子效率

图4是入射光波长在300-1100nm范围内C1到C6的内量子效率,可以看出缺陷消除后的内量子效率比未处理的高很多。造成这种现象的原因主要有以下两个方面。首先,未消除缺陷的黑硅,表面小山峰的密度和高度较高,增加了表面积。黑硅表面有许多悬挂键、捕获中心等有效的复合中心,表面积越大复合中心也会越多。其次,等离子体刻蚀黑硅表面会在黑硅表面产生缺陷,这些缺陷也是有效的复合中心,采用缺陷消除工艺处理后可以刻蚀掉这些缺陷,提高少子的收集。未消除缺陷的黑硅内量子效率比采用酸制绒硅的还低。这说明没有消除缺陷的黑硅表面复合比酸制绒硅的还高。同时可以发现消除缺陷后的黑硅(C2-C5)内量子效率差异不大。HNO3/HF刻蚀的黑硅反射率高,表面积小所以表面损伤小;NaNO2/HF刻蚀的黑硅反射率低,表面积大所以表面损伤大。两种溶液刻蚀的黑硅反射率和表面损伤这两个因素达到平衡,所以内量子效率差异不大。

表2是各个实验条件的电性能数据。从表中可以看出,条件C4的转化效率是最高的。转化效率、开路电压、短路电流密度依次分别为17.46%、623mV、35.99mA/cm2。这个条件反射率不是最低的。从这个数据中可以发现,想得到更高的转化效率,需要找到表面反射率和表面复合的平衡点。由于表面积大和等离子体刻蚀产生的缺陷,反射率非常低必然会导致非常高的表面复合。例如,条件C6的效率比酸制绒电池的效率还低0.28%。所有缺陷消除后的条件转化效率都比酸制绒电池的高,其他一些人的研究结果也是如此。例如,Shim等人发现,反应离子刻蚀制作出的黑硅电池效率也比酸制绒电池的低。但是这种黑硅经过缺陷消除处理后效率有了很大的提升。条件C4的效率最高,比酸制绒电池的效率高0.72。

表2条件C1-C6的电性能数据。Voc开路电压,Jsc短路电流密度,Pmp最大功率,FF填充因子,Eff光电转效率。 

4总结

采用等离子体浸没离子注入法成功制造出多晶黑硅,并研究了几个不同缺陷消除的工艺条件。小山峰的密度和高度随着处理时间的增加而降低。硅片的表面反射率随着小山峰密度和高度的升高而降低。所有实验条件的硅片都制作成太阳能电池。缺陷消除后的电池内量子效率得到提升,这归因于表面复合的降低。此外,缺陷消除后的电池转化效率比没有缺陷消除的电池以及酸制绒电池的高。条件C2(NANO2/HF/H2O,20分钟)的转化效率最高,转化效率、开路电压、短路电流密度分别是17.46%、623mV、35.99mA/cm2。

赵朋松,李吉,麻增智,王尚鑫,刘晓,王田, 王玉肖 译

晶澳太阳能有限公司

责任编辑:liufang
索比光伏网&碳索光伏版权声明:

本站标注来源为“索比光伏网”、“碳索光伏"、"索比咨询”的内容,均属www.solarbe.com合法享有版权或已获授权的内容。未经书面许可,任何单位或个人不得以转载、复制、传播等方式使用。

经授权使用者,请严格在授权范围内使用,并在显著位置标注来源,未经允许不得修改内容。违规者将依据《著作权法》追究法律责任,本站保留进一步追偿权利。谢谢支持与配合!

推荐新闻
1-8月美国进口光伏电池12.6GW,非洲产地崛起来源:光伏情报处 发布时间:2026-10-12 06:12:11

2026年1—8月,美国累计进口光伏电池片12.57GW,同比减少22%,反映进口需求明显收缩,主因包括贸易政策收紧、本土组件产能扩张及库存调整。进口量呈现先抑后扬再小幅回落的波动趋势:前4个月低位震荡,5—7月显著回升,8月环比回落但仍处高位。产地结构发生显著变化:传统东南亚供应(如印尼、泰国)大幅萎缩,非洲国家快速崛起,埃塞俄比亚(1368MW)、肯尼亚(1309MW)跻身前五进口来源国。同期,美国密集出台多项贸易限制措施,包括启动对埃塞俄比亚出口的规避调查、依据“232条款”对所有含多晶硅光伏产品加征15%关税,并对印度、印尼、老挝产电池片裁定高额反倾销与反补贴税。整体凸显美国光伏供应链加速向非洲等新兴地区转移及多元化布局态势。

横店东磁申请太阳能电池的制备方法专利,降低接触电阻来源:金融界 发布时间:2026-10-12 06:00:37

横店集团东磁股份有限公司于2026年6月向国家知识产权局申请了一项名为“太阳能电池的制备方法”的发明专利(公开号CN122892299A)。该专利聚焦于优化太阳能电池结构,通过在基底层受光面和/或背光面构建具有区域差异化的掺杂半导体层,使接触区表面凸起且掺杂浓度高于相邻非接触区,或在背光面交替设置两类掺杂层作为接触区,再配合电极制备。其核心技术创新在于实现局部精准调控,从而有效降低金属电极与半导体之间的接触电阻,进而提升电池的开路电压与短路电流。作为国内光伏与磁性材料领域的重要企业,横店东磁长期布局技术研发,截至当前已累计拥有专利2911项。(199字)

蓬勃发展的光伏产业:内蒙古能源经济转型的金太阳来源:中国日报网 发布时间:2026-10-10 10:08:39

本文聚焦内蒙古光伏产业的跨越式发展及其在能源经济转型中的核心作用。文章指出,依托丰富的太阳能资源(年日照2600–3400小时、西部“沙戈荒”地区尤为优越),内蒙古自“十二五”以来加速布局光伏产业,尤其通过“光伏+治沙”“光伏+牧业”等创新模式,实现生态修复与能源生产的协同增效。截至2025年底,全区太阳能发电量达624.04亿千瓦时,占全国并网光伏电量的5.32%;“十五五”期间年均新增新能源装机超3000万千瓦,目标2030年新能源总装机达3.25亿千瓦。与此同时,内蒙古以包头、鄂尔多斯等地为支点,构建起覆盖硅料、硅片、电池、组件及支架的完整光伏制造产业链,吸引隆基、通威等头部企业集聚。这一进程推动全区从传统煤炭依赖型经济向绿色低碳新范式深度转型,不仅优化了能源结构、支撑京津冀与东南沿海绿电供应,更探索出资源富集地区高质量发展的可行路径。(199字)

印度ALMM太阳能电池产能超37吉瓦来源:光伏情报处 发布时间:2026-10-10 09:45:10

印度新能源和可再生能源部(MNRE)最新更新《型号与制造商核准名录》(ALMM)第二部分,新增529兆瓦单晶硅PERC太阳能电池产能,使全国ALMM登记的太阳能电池总产能达37393兆瓦(即37.393吉瓦)。其中,Premier Energy Photovoltaics新增产能后,其PERC电池总登记产能升至2454兆瓦,并新增1358兆瓦G12R N型TOPCon电池产能,整体登记产能达3812兆瓦。此前,Jupiter Solar Tech和Renusol India亦分别扩充了N型TOPCon电池产能。ALMM-II对公用事业级项目设定了2025年8月31日的执行截止期,但净计量及开放接入式项目豁免期延至2026年12月31日。此外,MNRE已于2026年3月启动ALMM第三部分,将硅锭、硅片纳入监管,计划自2028年6月1日起强制实施,前提是至少三家独立硅片制造商完成登记且合计产能达15吉瓦。

国家能源局释放重要信号!应用端合理收益是光伏产业走出低价困局的关键来源:索比光伏网 发布时间:2026-10-09 13:56:33

国家能源局在9月全国可再生能源电力开发调度会上释放关键政策信号:健全新能源价格结算机制、切实保障合理收益,是破解当前光伏产业低价困局的核心路径。文章指出,尽管截至2026年8月光伏装机已达12.97亿千瓦、超越煤电成为最大电源,但新增装机增速放缓,反映投资动力不足。根本原因在于低电价导致项目经济性承压,影响发电企业投资决策,并沿产业链向上传导,加剧制造端产能过剩与恶性竞争。会议特别强调科学组织2027年增量项目机制竞价,避免片面追求“低价”而忽视项目可投资性,要求在市场竞争与收益可持续性之间取得平衡。文章阐明,合理收益并非保护利润,而是维系有效投资、设备采购、项目落地和产业链健康循环的前提条件。(199字)

2027世界太阳能光伏暨储能产业博览会 (第19届广州国际光伏储能展)来源:投稿 发布时间:2026-10-08 18:02:53

2027年第19届世界太阳能光伏暨储能产业博览会(PV Guangzhou)将于2027年8月13日至15日在广州中国进出口商品交易会展馆A区举办。该展会由广东省太阳能协会、广东省粤港澳经贸合作促进会及广东鸿威国际会展集团有限公司联合主办,已连续举办18届,是全球光储领域历史最久、规模最大的专业展会之一。本届预计吸引2000余家展商、18万平方米展览面积及来自100多个国家的25万余名专业观众。展会全面覆盖光伏与储能全产业链,包括原材料、生产设备、电池组件、逆变器、支架、储能系统、BIPV建筑光伏一体化及配套技术与服务。同期将举办光伏发展高峰论坛、全球储能峰会及颁奖盛典等活动,并依托海内外500多家媒体、200家国际机构及庞大采购商数据库开展全方位宣传推广,旨在打造集新品发布、技术交流、商贸对接与国际合作于一体的年度行业盛会。(199字)

光伏越装越多,为什么越来越难?——光伏产业正在面对的7个真问题来源:追风逐光话新能 发布时间:2026-10-08 09:18:45

本文围绕我国光伏装机规模历史性超越煤电(截至2026年7月达12.86亿千瓦)这一标志性进展,系统剖析了产业进入大规模发展阶段后面临的深层挑战。文章指出,光伏已从“如何低成本发电”的成本驱动阶段,转向“如何让电力产生真实价值”的系统价值竞争阶段。全文聚焦七大核心问题:组件持续降价与制造企业盈利承压的悖论;光伏高度标准化带来的同质化与“合成谬误”;东西部同步大规模建设背后的资源—负荷—时间错配矛盾;中午光伏出力集中导致的“捕获电价”下降与自我价值侵蚀;配电网承载能力日益成为发展的关键瓶颈;储能及各类“光伏+”模式在技术可行与经济闭环间的张力;以及行业竞争范式正由单一度电成本(LCOE)比拼,转向对项目时空适配性、电网协同性、市场响应力和系统价值贡献度的综合评估。这些变化共同指向一个本质命题:光伏发展的下一关,不是“能不能建”,而是“建了之后如何持续创造价值”。

突发!美国严控光伏囤货来源:索比光伏网 发布时间:2026-10-08 08:49:01

美国商务部于12月4日前紧急出台光伏进口管控新规,旨在防范企业抢在新贸易措施生效前囤积多晶硅、硅片、电池片及组件等关键产品。新规自12月4日起对上述商品加征15%关税,并同步执行第232条款设定的最低进口价格;同时依据历史进口数据对备案企业实施动态核查,超量者暂停进口资格;对8月6日后新注册、无进口记录的企业,实行周度进口限额,违规协助规避限额的报关行将被处罚。企业可申请豁免限额或关税,但须证明真实商业需求且承诺不囤货,新建或改造本土光伏工厂亦可申请关税豁免。政策引发行业分歧:清洁能源组织担忧推高项目成本、加剧电池片短缺、延缓脱碳进程;而本土制造商则支持该举措,认为有助于遏制突击进口、保障市场公平并促进制造业回流。

JA Power Talk特别对话:太空光伏目前引发的三层产业创新来源:晶澳光储 发布时间:2026-09-30 09:29:16

晶澳p-HJT产品成功入轨太空实证,引发产业三层创新:技术端推进硅基与薄膜砷化镓协同发展;地面验证构建覆盖发射、入轨、变轨、运行四阶段新体系;计量标准加速落地,涵盖绝对值标定、尺寸串并联共识及空间数据评价体系,夯实太空光伏产业化根基。

投产仅7个月,阿曼10万吨多晶硅厂却计划停产半年!来源:光伏 发布时间:2026-09-29 05:47:18

阿曼苏哈尔自贸区的联合太阳能(USP)10万吨多晶硅项目,于2026年2月投产仅七个月后,计划自10月起停产半年。该项目曾被定位为“中国境外最大、中东首个”规模化多晶硅基地,总投资约16亿美元,核心战略是依托阿曼非“外国关注实体”(FEOC)身份,借阿曼—美国自贸协定规避美方对华硅料限制,开拓溢价市场。然而,其现金成本高达33–38元/公斤,显著高于中国头部企业23–28元/公斤的水平,主因阿曼天然气价格大幅上涨推高电力成本。同时,预期中的美国贸易保护政策(如232条款最低进口价)落地滞后,而中国合规硅料仍以约7美元/公斤报价持续供应美国市场,导致阿曼产品缺乏价格竞争力。叠加高杠杆融资结构与低开工率(年产量仅3–4万吨),持续生产加剧现金流压力。此次停产折射出海外替代供应链在成本与政策落地节奏间的根本性失配。

中企在阿塞拜疆投资建设的大型光伏项目正式并网来源:新华社 发布时间:2026-09-23 08:55:35

由寰泰能源投资建设的阿塞拜疆戈布斯坦100兆瓦光伏电站于9月16日在巴库正式并网。该项目位于加拉达格区,安装约20万块太阳能电池板,配套建设一座110千伏升压站,年发电量预计达2亿千瓦时,可节约天然气约4500万立方米、减少碳排放约9.7万吨。作为中阿能源合作的重要成果,项目恰逢两国自2025年建立全面战略伙伴关系后务实合作深化期。阿塞拜疆总统阿利耶夫在并网仪式上肯定可再生能源合作成效,强调该领域已成为双边合作亮点,并表示欢迎更多中国企业赴阿投资绿色能源项目。此举亦契合阿方加速能源转型、提升绿色电力出口能力的国家战略。